DE102007061959A1

DE102007061959A1 - Brennstoffzellensystem mit verbessertem Wärmemanagement

Info

Publication number: DE102007061959A1
Application number: DE102007061959A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Diedrich (FH); Gert Dr.-Ing. Hinsenkamp; Manfred Dipl.-Ing. Stute; Martin Dipl.-Ing. Heumos (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009083067A3; WO2009083067A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), umfassend mindestens eine heiße Komponente (1ne zusätzliche aufzubringende Heizleistung in einer Startphase Wärme erzeugt, eine kalte Komponente (13, 14, 18), welche beim Starten des Systems (1) in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung keine Wärme erzeugt, und eine Leitung (12, 50), in welcher ein beim Starten des Systems in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung nicht oder nur unwesentlich erwärmtes Fluid geführt ist, wobei die heiße Komponente (10, 16, 23) mit der kalten Komponente (13, 14, 18) und/oder mit der Leitung (12, 50) des kalten Fluids als integrierte Baueinheit gestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wärmemanagement.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst üblicherweise eine Brennstoffzelle oder mehrere Brennstoffzellen, welche in Reihe und/oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet sind. Als Brennstoff wird üblicherweise Wasserstoff eingesetzt. Es ist jedoch auch eine Verwendung von Methan, Methanol oder Glukoselösung bekannt. An einer Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels wird an einem Einlass der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. An einem Auslass treten Anodenabgase aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel aus, welche bei Verwendung von Wasserstoff unter anderem aus nicht verbrauchtem Wasserstoff sowie Wasser bestehen. Der nicht verbrauchte Brennstoff kann über einen Rezirkulations-Kreislauf an dem Einlass wieder zur Verfügung gestellt werden. Der Rezirkulations-Kreislauf umfasst zu diesem Zweck eine Rezirkulations-Baueinheit, beispielsweise eine Pumpe.
Bei Brennstoffzellensystemen tritt das Problem auf, dass im System vorhandenes Wasser bei niedrigen Temperaturen, insbesondere beim Abschalten des Systems, einfriert. Es ist daher bekannt, einfriergefährdete Komponenten mit einer Isolierung zum Verhindern eines Einfrierens auszustatten.
Durch die Isolierung wird jedoch ein zusätzlicher Bauraum notwendig, zudem wird ein Gewicht des Gesamtsystems erhöht.
Daneben ist es beispielsweise aus der DE 11 2004 000 413 T5 bekannt, einfriergefährdete Komponenten mit separaten Heizaggregaten auszustatten, welche ein Abtauen herbeiführen, wenn beispielsweise ein Abscheider oder ein anderes kaltstartanfälliges Element des Brennstoffzellensystems einfriert. Durch diese zusätzlichen Heizaggregate werden jedoch ebenfalls ein Platzbedarf, Herstellungs- und Betriebskosten erhöht. Außerdem wird im Kaltstartfall durch die Heizaggregate zusätzliche Energie benötigt, so dass der Wirkungsgrad des Systems reduziert wird.
Aus der US 2006 00 99471 A1 ist es bekannt, einen von dem Brennstoffzellenstapel abfließenden Kühlmittelstrom durch eine Schleife zu leiten, durch welche ein im Anodenabgaskreislauf angeordneter Abscheider sowie ein Abscheiderventil erwärmt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit verbessertem Wärmemanagement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem umfassend mindestens eine heiße Komponente, welche beim Starten des Systems ohne zusätzlich aufzubringende Heizleistung in einer Startphase Wärme erzeugt, eine kalte Komponente, welche beim Starten des Systems in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung keine Wärme erzeugt, und eine Leitung, in welcher ein beim Starten des Systems in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung nicht oder nur unwesentlich erwärmtes Fluid geführt ist, wobei die heiße Komponente mit der kalten Komponente und/oder der Leitung des kalten Fluids als integriertes Bauteil gestaltet sind.
Die Komponenten bzw. die heiße Komponente und die Leitung sind somit mechanisch für eine Übertragung von Wärme gekoppelt.
Durch eine gemeinsame Gestaltung einer heißen Komponente mit einer kalten Komponente ist es möglich, im System eventuell eingefrorenes Wasser sehr schnell aufzutauen und/oder ein Einfrieren zu verhindern. Dabei werden im System bereits existierende Komponenten genutzt, so dass auf zusätzliche Heizaggregate verzichtet werden kann. Durch den Verzicht auf zusätzliche Heizaggregate wird sowohl die im Kaltstart notwendige Energie als auch das Gewicht des Systems erniedrigt und somit ein Wirkungsgrad erhöht.
In einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist die kalte Komponente ein in einem Anodenkreislauf angeordneter Wasserabscheider und/oder ein Ablassventil des Wasserabscheiders. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird dabei die separierte oder abgeschiedene Flüssigkeit, insbesondere Wasser, welche sich in einem Sammelbecken des Abscheiders befindet, durch die heiße Komponente so weit erwärmt, dass es den Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig wechselt. Das so erwärmte „Sammelwasser" wird dem Abgas zugeführt, wobei ein Flüssigwasseraustrag im Abgas reduziert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die kalte Komponente ein in dem Anodenkreislauf angeordnetes Rezirkulationsgebläse. Bei Einfrieren des Rezirkulationsgebläses besteht die Gefahr, dass dieses beim Starten blockiert und/oder beschädigt wird. Durch die erfindungsgemäße kombinierte Gestaltung des Rezirkulationsgebläses mit einer heißen Komponente wird die Gefahr von Beschädigungen minimiert.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die heiße Komponente eine Startheizung des Brennstoffzellensystems. Die Startheizung dient beispielsweise zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels und/oder eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Anodengases beim Starten und ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung in einen Kühlmittelstromkreislauf integriert. Durch integrale Gestaltung der Startheizung mit kaltstartkritischen Komponenten des Anodenkreislaufes ist eine effiziente Aufheizung der kalten Komponenten unter Nutzung der Abwärme der Startheizung möglich.
Zusätzlich ist in einer Ausgestaltung ein Mini-Kreislauf vorgesehen, welcher das von dem Brennstoffstapel kommende Kühlmittel zumindest teilweise über den Rezirkulations-Kreislauf führt, so dass der erwärmte Kühlmittelstrom über Komponenten des Anodenabgaskreislaufs geführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die kalte Komponente ein in einem Kathodenkreislauf angeordneter Wasserabscheider und/oder ein Ablassventil des Wasserabscheiders. Dadurch wird ein Einfrieren des Abscheiders im Kathodenkreislauf verhindert, und damit auch ein Flüssigwasseraustrag in eine dem Abscheider nachgeschaltete Turbine.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die heiße Komponente ein im Kathodenkreislauf angeordneter Ladeluftkühler.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die heiße Komponente ein Brennstoffzellenstapel. Dadurch wird gleichzeitig eine gute Kühlung des Brennstoffzellenstapels bewirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems sind eine Leitung eines durch einen Kompressor komprimierten Kathodengases und eine Leitung eines zu einer Turbine geführten Kathodenabgases zumindest abschnittsweise als integrales Bauteil gestaltet. Dadurch wird das Turbinengas schnell in der Startphase erwärmt, so dass zumindest in der Startphase eine im Kathodenabgas verbleibende Flüssigkeit verdampft. Zudem führt eine dadurch bewirkte Temperaturerhöhung des Turbinengases zu einer Leistungssteigerung der Turbine.
In einer weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems sind kalte Komponenten des Systems oberhalb von heißen Komponenten des Systems angeordnet. Da erwärmte Umgebungsluft aufsteigt, wird durch diese Anordnung eine schnellere Erwärmung der kalten Komponenten durch die heißen Komponenten bewirkt. Insbesondere ist es dabei auch möglich, zwei Komponenten, welche in einer Baueinheit integriert sind, günstig zueinander anzuordnen, um so eine schnelle Wärmeübertragung zu erzielen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Als Teil eines Ausführungsbeispiels beschriebene oder dargestellte Merkmale können ebenso in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu erhalten.
In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, wobei integrale Baueinheiten markiert sind;
2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen integrierten Baueinheit umfassend eine Startheizung und einen Abscheider in einer Seitenansicht;
3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen integrierte Baueinheit umfassend einen Ladeluftkühler und einen Abscheider in einer Seitenansicht;
4: eine schematische Darstellung einer Baueinheit für eine Turbinengaserwärmung und
5: eine schematische Darstellung einer Anordnung der Komponenten eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug.
1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit vier integralen Baueinheiten 2, 3, 4, 5 und einer Kühlmittelschleife 6.
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, welchem ein Brennstoff aus einem Tank 11 zugeführt wird. Ein Anodenabgas wird in einem Rezirkulations-Kreislauf 12 umfassend einen Abscheider 13 und ein Rezirkulations-Gebläse 14 wieder mit dem von dem Tank 11 zugeführten Brennstoff vermengt.
Als Kathodengas wird Frischluft an einem Kompressor 15 angesaugt und verdichtet. Das verdichtete Kathodengas wird über einen Ladeluftkühler 16 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Die Frischluft wird in dem dargestellten System zudem durch einen Befeuchter 17 befeuchtet. Das Kathodenabgas wird über einen Abscheider 18 einer Turbine 19 zugeführt, wobei in dem Katodenabgas vorhandenes Wasser an dem Abscheider 18 ausgefällt wird.
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiter einen Kühlmittelkreislauf 20 mit einem Fahrzeugkühler 21 und einer Kühlmittelpumpe 22. Eine Startheizung 23 ist in den Kühlmittelkreislauf 20 integriert.
Nicht ausreichend ausgefällte Flüssigkeit, insbesondere Wasser, welche sich im Anodenabgas und/oder im Katodenabgas befindet, kann beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 ein Einfrieren von kaltstartkritischen Komponenten, insbesondere einem Rezirkulationsgebläse 14 oder den Abscheidern 13, 18 verursachen.
Erfindungsgemäß sind sogenannte kalte Komponenten, d. h. Komponenten, welche beim Starten des Systems in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung keine Wärme erzeugen, mit sogenannten heißen Komponenten, d. h. Komponenten, welche in einer Startphase ohne zusätzlich aufzubringende Heizleistung Wärme erzeugen, in gemeinsamen Baueinheiten integriert.
Zusätzlich ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Mini-Kreislauf 6 vorgesehen, welcher das von dem Brennstoffstapel kommende Kühlmittel über das Rezirkulations-Gebläse 14 führt, so dass der erwärmte Kühlmittelstrom das Rezirkulations-Gebläse 14 erwärmt.
2 zeigt schematisch die Baueinheit 2 in einer Seitenansicht. In der Baueinheit 2 sind ein im Rezirkulations-Kreislauf 12 (s. 1) angeordneter Abscheider 13 und eine Startheizung 23, welche in einem Kühlmittelkreislauf 20 angeordnet ist, integriert. Die im Abscheider 13 wird an einem Zulauf 130 das Anodenabgas zugeführt, so dass eine im Anodenabgas befindliche Flüssigkeit an einem Auslass 131 ausgefällt wird. Ausgefälltes Wasser bzw. ausgefällte Flüssigkeit wird in einem Sammelbecken im Bodenbereich des Abscheiders 13 gesammelt. Beim Abschalten kann diese Flüssigkeiten bei niedrigen Umgebungstemperaturen einfrieren. Bei einem Kaltstart kann sich daher in dem Bodenbereich des Abscheiders 13 gefrorene Flüssigkeit, insbesondere gefrorenes Wasser befinden. Durch die erfindungsgemäße integrierte Gestaltung des Abscheiders 13 mit der Startheizung 23 erfolgt ein schnelles Auftauen des vorhandenen Wassers, wobei auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden kann.
3 zeigt schematisch eine Baueinheit 4 umfassend den Ladeluftkühler 16 und einen im Kathodenabgas angeordneten Abscheider 18, an welchem im Kathodenabgas befindliche Flüssigkeit abgeschieden wird. Dem Ladeluftkühler 16 wird an einem Einlass 160 heiße Luft aus dem in 1 dargestellten Kompressor 15 zugeführt. Die Wärme der zugeführten Luft und die sich daraus ergebende Abwärme des Ladeluftkühlers 16 werden erfindungsgemäß zu einer Aufheizung von im Abscheider 18 befindlichen Medien verwendet.
Selbstverständlich sind außer den gezeigten, integrierten Baueinheiten weitere Kombinationen von heißen und kalten Komponenten denkbar.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist weiter eine integrale Baueinheit 5 umfassend ein Zufuhrrohr 50 zu der in 1 dargestellten Turbine 19 und ein Abflussrohr 51 des in 1 dargestellten Kompressors 15 vorgesehen. 4 zeigt schematisch die integrale Baueinheit 5 in einer Querschnittsansicht. In der dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein heißes Medium, d. h. das von dem Kompressor 15 abgeführte Medium, in einem inneren Rohr 51 geführt wird, wohingegen ein kaltes Medium, d. h. das der Turbine 19 gemäß 1 zugeführte Medium, in einem äußeren Rohr 50 geführt ist, welche das innere Rohr umgibt. Zum besseren Wärmeaustausch sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Wärmeaustauschrippen 52 vorgesehen. Durch die Baueinheit 5 wird eine gute Erwärmung eines in dem Rohr 50 vorhandenen Turbinengases erreicht, so dass eventuell in dem Turbinengas noch vorhandene Flüssigkeit verdampft wird. Durch die Temperaturerhöhung wird zudem erreicht, dass die in 1 dargestellte Turbine 19 eine höhere Leistung erbringt.
5 zeigt schematisch die Anordnung von Komponenten eines Brennstoffzellensystems gemäß 1 in einem Kraftfahrzeug 9. Eine Anordnung erfolgt dabei derart, dass kalte Komponenten 13, 14 oberhalb von warmen Komponenten 23 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet sind. Dieser Anordnung liegt die Überlegung zugrunde, dass heiße Komponenten dazu genutzt werden können, um kalte Komponenten zu erwärmen. Erfindungsgemäß ist dies besonders vorteilhaft durch eine mechanische Kopplung der Komponenten möglich.
Jedoch auch ohne eine direkte mechanische Kopplung ist eine Wärmeübertragung möglich. Da erwärmte Umgebungsluft im Allgemeinen aufsteigt, werden heiße Komponenten dabei vorteilhafter Weise unterhalb der kalten Komponenten positioniert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 112004000413 T5 [0005]
- US 20060099471 A1 [0006]

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend mindestens eine heiße Komponente (10, 16, 23), welche beim Starten des Systems (1) ohne zusätzlich aufzubringende Heizleistung in einer Startphase Wärme erzeugt, mindestens eine kalte Komponente (13, 14, 18), welche beim Starten des Systems (1) in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung keine Wärme erzeugt oder nicht genug Abwärme erzeugt, um sich selbst schnell genug aufheizen zu können, und/oder eine Leitung (12, 50), in welcher ein beim Starten des Systems in einer Startphase ohne zusätzlich aufgebrachte Heizleistung nicht oder nur unwesentlich erwärmtes Fluid geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Komponente (10, 16, 23) mit der kalten Komponente (13, 14, 18) und/oder der Leitung (12, 50) des kalten Fluids als integrierte Baueinheit gestaltet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Komponente ein in einem Anodenkreislauf (12) angeordneter Wasserabscheider (13) und/oder ein Ablassventil des Wasserabscheiders (13) ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Komponente ein in dem Anodenkreislauf (12) angeordnetes Rezirkulationsgebläse (14) ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Komponente eine Startheizung (23) des Brennstoffzellensystems (1) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Komponente ein in einem Kathodenkreislauf angeordneter Wasserabscheider (18) und/oder ein Ablassventil des Wasserabscheiders (18) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Komponente ein im Kathodenkreislauf angeordneter Ladeluftkühler (16) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Komponente ein Brennstoffzellenstapel (10) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitung (51) eines durch einen Kompressor komprimierten Kathodengases und eine Leitung (50) eines zu einer Turbine geführten Kathodenabgases zumindest abschnittsweise als integrale Baueinheit gestaltet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass kalte Komponenten (13, 14, 18) des Systems (1) oberhalb von heißen Komponenten (10, 23) des Systems (1) und/oder kalte Komponenten in Strömungsrichtung einer evtl. auftretenden Umströmung der Bauteile, nach heißen Komponenten angeordnet sind.